Aluminiumnitrid US-Regierung fördert neues Halbleitermaterial

Substrate aus Aluminiumnitrid
Substrate aus Aluminiumnitrid

HexaTech hat bekanntgegeben, dass es Fördermittel im Rahmen des Entwicklungsprogramms der ARPA-E des US-Energieministeriums erhalten hat. Das Unternehmen konzentriert sich hierbei auf die Entwicklung von Hochleistungshalbleiterschalter basierend auf Aluminiumnitrid (AlN).

Mit 1,2 Mio. US-Dollar für die nächsten zwölf Monate und mit 2,8 Mio. über zwei Jahren fördert das Entwicklungsprogramm der Advanced Research Projects Agency (ARPA-E) unter dem Dach des US-amerikanischen Energieministeriums (DoE) die Firma HexaTech bei der Entwicklung von Hochleistungshalbleiterschalter auf der Grundlage von Aluminiumnitrid (AlN), um den Stromfluss durch Hochspannungsleitungen effizienter zu steuern. Der Einsatz solcher Bauelemente könnte die Kosten der Stromübertragung senken und gleichzeitig die gesamte Netzsicherheit und Zuverlässigkeit erhöhen. HexaTech ist ein führender Hersteller für AlN-Substrate und -Wafer.

»Die nun fortgeführte Unterstützung durch die ARPA-E wird es uns ermöglichen, das Potenzial von AlN für Hochspannungskomponenten durch Optimieren des MOCVD-Wachstumsparameters (Metal Oxide Chemical Vapor Deposition; Anm. der Red.) sowie Herstellung und Prüfung kommerziell sinnvoller Bauteile nachzuweisen«, kommentiert Dr. Baxter Moody, leitender Forscher für das Programm bei HexaTech, und ergänzt: »Bei einem spezifischen Widerstand von 10-3 Ω∙cm² beispielsweise liegt die Durchbruchspannung von Silizium bei 100 V, bei 4H-SiC bei 4000 V, bei GaN bei 5000 V, bei AlN aber bei 20.000V. Dies bedeutet Verbesserung gegenüber Siliziumkarbid um den Faktor 5, gegenüber Silizium gar um 200, wenn das volle Potenzial von Aluminiumnitrid ausgeschöpft würde.

Halbierte Kosten gegenüber SiC

Der Forscher verglich dabei Hochspannungskomponenten aus Aluminiumnitrid mit solchen aus SiC behauptete, dass die Sperrschicht der AlN-Bauteile 65% bis 75% dünner sein könnte als die bei Siliziumkarbid, sodass sie leichter und herzustellen seien und eine höhere Ausbeute (Yield) hätten, was letztlich die Herstellungskosten senken würde. »In einer Anwendung als 20-kV-Diode schätzen wir, dass ein AlN-Bauteil etwa 50% niedrigere äquivalente Kosten im Vergleich zu entweder unipolaren oder bipolaren SiC-Bauelementen hätte, gleichzeitig aber ein Mehr an Performance«, glaubt Moody.

AlN-Komponenten können auch schneller schalten als GTOs und IGBTs aus SiC, da der Strom mithilfe der Majoritätsladungsträger fließt. Diese sind schneller als die Minoritätsladungsträger, vor allem beim Auszuschalten. Dies alles lässt darauf schließen, dass AlN-Bauteile effizienter arbeiten werden als GTOs und IGBTs aus SiC, da diese bipolaren Schalter beim Ausschalten Verluste als Folge der Speicherung von Minoritätsladungsträgern aufweisen. Moody glaubt, dass die Schaltfrequenz bei über 20 kHz liegen könnte.